Для чего применяются транзисторы
Назначение и области применения транзисторов
Полупроводниковый транзистор – радиоэлемент, изготавливаемый из полупроводникового материала, чаще всего кремния. Основное назначение транзистора – управление током в электрической цепи. Транзистор управляет током на выходе пропорционально изменению силы входного тока и величины входного напряжения, причем при незначительном изменении входных параметров при определенных условиях можно добиться существенного усиления выходного сигнала. Поэтому полупроводниковые транзисторы часто применяются в усилительных схемах.
Режимы работы транзисторов различных видов
Области, где используются транзисторы, зависят от технических характеристик последних. Транзисторы разного конструктивного исполнения рассчитаны на работу в ключевом или усилительном режимах.
Применение транзисторов
Транзисторы востребованы практически во всех отраслях народного хозяйства. Минимализация габаритов этих приборов обеспечивает рост быстродействия электронных компонентов при снижении количества потребляемой энергии и выделения тепла.
Производство слуховых аппаратов
Благодаря практическому применению усиливающих свойств полупроводникового транзистора, стало возможным создание для слухового аппарата мощного микрофона с миниатюрными размерами.
Принцип работы слухового аппарата:
Производство компьютеров и калькуляторов
Полупроводниковые транзисторы используются во всех электронных компонентах компьютеров и калькуляторов. Они находятся в составе материнских плат, процессоров, карт расширения, периферийных устройств. Системы обработки, передачи и защиты данных – одни из основных областей, где применяются полупроводниковые транзисторы.
Транзисторы, работающие в ключевом режиме, используются для защиты программ от взлома и предотвращения кражи информации. Управление силой тока – аналоговое, регулирование – с помощью ширины импульса.
Транзисторы Дарлингтона (сборного типа)
Это составной транзистор, состоящий из двух или нескольких биполярных транзисторов, расположенных на одном монокристалле и заключенных в общий корпус. В высоковольтной электронике используются составные гибридные транзисторы IGBT, в состав которых входят биполярные и полевые модели. Основное назначение транзистора сборного типа – получение высокомощного сигнала в электрической цепи. Однако из-за низкого быстродействия они эффективны только в низкочастотной аппаратуре.
Силовые преобразователи инверторного типа
Мощные транзисторы с изолированным затвором применяются в оборудовании, рассчитанном на питание током высокого напряжения. Это индукционные нагреватели, мощные сварочные аппараты, мостовые и полумостовые резонансные преобразователи.
В этой статье мы только кратко перечислили области применения полупроводниковых транзисторов, присутствующих практически во всех электронных компонентах современных приборов и аппаратов. Более того, без этих радиоэлементов были бы невозможны достижения современной микроэлектроники, полеты в космос, создание систем наземного и воздушного наблюдения, связи, радиолокации и многих других.
Для чего нужны транзисторы и как они работают
Концепция транзисторов
Что такое концепция? Это общее представление об объекте или процессе. Например, концепция автомобиля – это четыре колеса, руль, корпус, двигатель и коробка передач. Концепция одна, а выпускаются автомобили с разной конструкцией, устройством и предназначением.
У транзисторов, как и у вакуумных триодов, очень простая концепция и принцип работы.
Триод – это та деталь, у которой три контакта.
Давайте представим бак с водой, в центре которого установлена задвижка.
Что мы можем сделать с потоком воды? Мы можем управлять им за счет задвижки.
Например, если в баке течет вода, и задвижки нет в нем, то вода проходит без препятствия.
В тоже время, если мы полностью перекроем путь задвижкой, то и вода не будет поступать во вторую условную часть бака и поток прекратится.
А еще мы можем полностью управлять потоком воды при помощи регулировки задвижки.
Получается, что при помощи небольшой задвижки можно контролировать огромный поток воды.
Небольшие колебания (перемещения) задвижки позволяют с такой же частотой пропускать большой поток воды.
Но в тоже время транзисторы могут быть по разному устроены.
Полевые транзисторы
Описанный выше пример – это полевой транзистор. У самого простого полевого транзистора есть сток, исток и затвор.
Транзисторы изготавливаются из полупроводниковых материалов. Поэтому, у них есть второе название — полупроводниковые триоды.
При помощи полупроводников можно изготовить p-n переход.
Любой транзистор состоит из p-n переходов, которые пропускают электрический ток в одном направлении. И этот переход позволят управлять электрическим током как задвижкой.
Полевые транзисторы управляются при помощи напряжения, которое подается на затвор.
Так выглядит состав полевого транзистора с каналом p – типа.
А вот так с n – типом.
Канал транзистора – это область между истоком и стоком.
Почему транзисторы бывают разными по проводимости? Транзистор с n типом управляется при помощи положительного потенциала, а с p типом наоборот, отрицательным потенциалом. Это позволяет усиливать сигналы с разными потенциалами.
Затворов у полевых транзисторов на самом деле два, но их выводы объединены в один, так как функция у них одинакова. Зачем нужно два затвора? Так транзистором проще управлять.
Подавая напряжение на затвор, мы можем регулировать электрический ток проходящий от истока к стоку.
А самое главное не это. Самое главное, что мы можем таким образом не просто включить или выключить электрический ток по цепи, но и управлять его движением.
Например, можно подать на затвор полевого транзистора переменный сигнал 5 мкВ. И он будет модулировать электрический ток, который проходит через исток и сток транзистора. Так можно получить усиленный сигнал.
Также полевые транзисторы имеют разные схемы включения, которые позволяют согласовывать сопротивления и регулировать усилительные функции.
Обозначение (УГО) полевого транзистора с каналом n типа на принципиальных схемах: 
Биполярные транзисторы
Это другой тип транзисторов. Такие транзисторы управляются при помощи электрического тока. И они состоят из чередующихся p-n переходов.
Как и у полевого транзистора, у биполярного тоже три контакта. Это эмиттер, база и коллектор. База всегда по типу противоположна эмиттеру и коллектору.
Эмиттер — это большой источник основных носителей заряда. А коллектор — это самый большой контакт из этой троицы. С коллектора снимается усиленный сигнал в классической схеме, чтобы получить максимальную мощность. В транзисторах большой мощности коллектор припаян напрямую к корпусу, чтобы рассеивать тепло.
Бывают биполярные транзисторы n-p-n типа.
Обозначение (УГО) биполярного n-p-n транзистора на принципиальных схемах: 
Отличие биполярных транзисторов от полевых
Полевые транзисторы управляются при помощи электрического поля и благодаря этому они очень энергоэффективны. Именно по этой причине они используются при производстве процессоров.
С другой стороны, у полевых транзисторов есть слабое место. Это их тонкий p-n переход. Он очень чувствителен к статическому электричеству. Кстати, именно из-за статического электричества перестают работать флешки и карты памяти, если вы их вытащили из устройства во время работы.
Схемы защиты от статического электричества не успевают сработать, и статика разрушает полевые транзисторы.
А вот биполярные транзисторы наоборот, лучше переносят статику. Но в тоже время, они потребляют больше мощности, так как для их открытия нужен электрический ток.
Схемы включения
Так как у транзисторов три контакта, то можно чередовать вход и выход. Что это даст? У каждого контакта свои особенности. Например, если мы подадим сигнал на базу и эмиттер биполярного транзистора, а снимать итоговый сигнал будем с эмиттера и коллектора, то такая схема будет называются с общим эмиттером.
Этот тип включения позволяет передать максимум мощности в нагрузку.
Прочитать подробнее про работу схемы с общим эмиттером можно в этой статье.
Аналогичным образом можно подключить схему с общим коллектором и с общей базой. По сути, общий контакт — это такой контакт, который работает и на входе и на выходе одновременно с разными контактами.
Все тоже самое справедливо и для полевых транзисторов. Есть схемы с общим стоком, истоком и затвором.
Другие типы транзисторов
А еще бывают однопереходные, комплементарные и КМОП, МДП (MOSFET) и множество других транзисторов. Они разные по своим характеристикам, выполняют разные задачи и предназначены для конкретных целей. Но в целом, принцип работы у всех одинаков. Это управление электрическим током.
Характеристики
Так как полупроводниковые триоды (транзисторы) выполнены из полупроводника, то и на их работу влияет окружающая среда. Например, при изменении температуры окружающей среды, транзистор может вносить нелинейные искажения в выходной сигнал. С этим борются при помощи термпостабидизционных схем, которые позволяют стабилизировать работу транзистора на высоких температурах.
Также у транзисторов есть ВАХ (вольт-амперные характеристики), которые в отличие от вакуумной техники, быстро переходят в насыщение.
У всех транзисторов есть следующие параметры:
Режимы работы
В целом, можно выделить несколько режимов работы:
Функции транзисторов
Транзисторы выполняют следующие функции:
Чем транзисторы уступают лампам
Несмотря на неоспоримые преимущества транзисторов перед лампами, ламповые триоды по прежнему имеют ряд преимуществ., среди которых:
Нельзя прямо сказать, что транзисторы полностью искоренили лампы. У каждой детали есть свои преимущества и недостатки в разных областях. Конечно, в цифровой технике транзисторам нет ровни среди ламп. Однако на сверхвысоких частотах транзисторы по-прежнему уступают лампам.
Как работает транзистор и где используется?
Радиоэлектронный элемент из полупроводникового материала с помощью входного сигнала создает, усиливает, изменяет импульсы в интегральных микросхемах и системах для хранения, обработки и передачи информации. Транзистор — это сопротивление, функции которого регулируются напряжением между эмиттером и базой или истоком и затвором в зависимости от типа модуля.
Виды транзисторов
Преобразователи широко применяются в производстве цифровых и аналоговых микросхем для обнуления статического потребительского тока и получения улучшенной линейности. Типы транзисторов различаются тем, что одни управляются изменением напряжения, вторые регулируются отклонением тока.
Полевые полупроводники применяются чаще из-за преимуществ перед биполярными видами:
Виды транзисторов и их свойства определяют назначение. Нагревание преобразователя биполярного типа увеличивает ток по пути от коллектора к эмиттеру. У них коэффициент сопротивления отрицательный, а подвижные носители текут к собирающему устройству от эмиттера. Тонкая база отделена p-n-переходами, а ток возникает только при накоплении подвижных частиц и их инжекции в базу. Некоторые носители заряда захватываются соседним p-n-переходом и ускоряются, так рассчитаны параметры транзисторов.
Полевые транзисторы имеют еще один вид преимущества, о котором нужно упомянуть для чайников. Их соединяют параллельно без выравнивания сопротивления. Резисторы для этой цели не применяются, так как показатель растет автоматически при изменении нагрузки. Для получения высокого значения коммутационного тока набирается комплекс модулей, что используется в инверторах или других устройствах.
Нельзя соединять параллельно биполярный транзистор, определение функциональных параметров ведет к тому, что выявляется тепловой пробой необратимого характера. Эти свойства связаны с техническими качествами простых p-n каналов. Модули соединяются параллельно с применением резисторов для выравнивания тока в эмиттерных цепях. В зависимости от функциональных черт и индивидуальной специфики в классификации транзисторов выделяют биполярные и полевые виды.
Что такое транзистор
Транзистор – это прибор, работающий по принципу полупроводника и предназначен для усиления сигнала. Из-за особенностей строения кристаллической решетки и своих полупроводниковых свойств, транзистор увеличивает протекающий через нее ток. Сами же вещества, имеющие такие свойства, препятствуют его протеканию. Самими основными элементами считаются германий (Gr) или кремний (Si). Полупроводники бывают двух видов – электронные и дырочные.
В статье будет приведена подробная информация об устройстве, производстве, сфере применения транзисторов. По этой теме добавлено два интересных видеоролика, а также научно-популярная статья по предмету вопроса.
Типы транзисторов
В настоящее время находят применение транзисторы двух видов — биполярные и полевые. Биполярные транзисторы появились первыми и получили наибольшее распространение. Поэтому обычно их называют просто транзисторами. Полевые транзисторы появились позже и пока используются реже биполярных.
Биполярные транзисторы
Биполярными транзисторы называют потому, что электрический ток в них образуют электрические заряды положительной и отрицательной полярности. Носители положительных зарядов принято называть дырками, отрицательные заряды переносятся электронами.
Слово “транзистор” составлено из слов TRANSfer и resISTOR – преобразователь сопротивления. Он пришел на смену лампам в начале 1950-х. Это прибор с тремя выводами, используется для усиления и переключения в электронных схемах.
Для изготовления кристалла используют сверхчистый материал, в который добавляют специальные строго дозированные; примеси. Они и определяют появление в кристалле проводимости, обусловленной дырками (р-проводимость) или электронами (n-проводимость).
Таким образом формируют один из электродов транзистора, называемый базой. Если теперь в поверхность кристалла базы ввести тем или иным технологическим способом специальные примеси, изменяющие тип проводимости базы на обратную так, чтобы образовались близколежащие зоны n-р-n или р-n-р, и к каждой зоне подключить выводы, образуется транзистор.
Одну из крайних зон называют эмиттером, т. е. источником носителей заряда, а вторую — коллектором, собирателем этих носителей. Зона между эмиттером и коллектором называется базой. Выводам транзистора обычно присваивают названия, аналогичные его электродам. Усилительные свойства транзистора проявляются в том, что если теперь к эмиттеру и базе приложить малое электрическое напряжение — входной сигнал, то в цепи коллектор — эмиттер потечет ток, по форме повторяющий входной ток входного сигнала между базой и эмиттером, но во много раз больший по значению.
Для нормальной работы транзистора в первую очередь необходимо подать на его электроды напряжение питания. При этом напряжение на базе относительно эмиттера (это напряжение часто называют напряжением смещения) должно быть равно нескольким десятым долям вольта, а на коллекторе относительно эмиттера — несколько вольт.
Полевые
Суть этого прибора заключается в управлении параметрами электрического сигнала с помощью электрического поля. Оно появляется при подаче напряжения к какому-либо из выводов:
Такой транзистор состоит из полупроводника с определённой проводимостью и двух областей, помещённых в него с противоположной проводимостью. При подаче напряжения на затвор между этими двумя областями появляется пространство, через которое протекает ток. Это пространство называется каналом. Ширина этого канала регулируется напряжением, которое мы подаём на затвор. Соответственно, можно увеличивать и уменьшать ширину канала и управлять протекающим током.
Теперь поговорим о приборе с изолированным затвором. Разница в том, что в первом случае этот переход есть всегда, даже когда на затвор не подавалось напряжение. А при его подаче, переход и токопроводящий канал менялись в зависимости от полярности и амплитуды напряжения. Металлический затвор в таких транзисторах изолирован диэлектриком от полупроводниковой области. Их входное сопротивление гораздо больше.
Существует два вида приборов с изолированным затвором:
Встроенный канал позволяет протекать электрическому току с определённой амплитудой. При подаче напряжения с определённой амплитудой и полярностью мы можем менять ширину канала и его проводимость. Этот канал встраивается в транзисторы на производственных предприятиях.
Индуцированный канал появляется между двумя областями, о которых мы говорили выше, только при подаче напряжения определённой полярности на затвор. То есть, когда на затвор напряжение не подаётся, ток в нем не протекает.
Все виды полевых транзисторов отличаются друг от друга по следующим параметрам:
Каждый из этих видов полевых транзисторов необходим для сборки определённых электрических и логических схем. Так как для реализации двух разных устройств необходимо разные электрические параметры.
Что такое полевой транзистор
Полевой транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, в котором управление током между двумя электродами, образованным направленным движением носителей заряда дырок или электронов, осуществляется электрическим полем, создаваемым напряжением на третьем электроде. Электроды, между которыми протекает управляемый ток, носят название истока и стока, причем истоком считают тот электрод, из которого выходят (истекают) носители заряда.
Третий, управляющий, электрод называют затвором. Токопроводящий участок полупроводникового материала между истоком и стоком принято называть каналом, отсюда еще одно название этих транзисторов — канальные. Под действием напряжения на затворе» относительно истока меняется сопротивление канала» а значит, и ток через него.
Это название подчеркивает, что ток в них образуют носители только одного знака, что и отличает полевые транзисторы от биполярных. Для изготовления полевых транзисторов используют главным образом кремний, что связано с особенностями технологии их производства.
Основные параметры полевых транзисторов
Крутизна входной характеристики S или проводимость прямой передачи тока Y 21 указывает, на сколько миллиампер изменяется ток канала при изменении входного напряжения между затвором и истоком на 1 В. Поэтому значение крутизны входной характеристики определяется в мА/В, так же как и крутизна характеристики радиоламп. Современные полевые транзисторы имеют крутизну от десятых долей до десятков и даже сотен миллиампер на вольт. Очевидно, что чем больше крутизна, тем большее усиление может дать полевой транзистор. Но большим значениям крутизны соответствует большой ток канала.
Поэтому-на практике обычно выбирают такой ток канала, при котором, о одной стороны, достигается требуемое усиление, а с другой — обеспечивается необходимая экономичность в расходе тока. Частотные свойства полевого транзистора, так же как и биполярного, характеризуются значением предельной частоты.
Полевые транзисторы тоже делят на низкочастотные, среднечастотные и высокочастотные, и также для получения большого усиления максимальная частота сигнала должна быть по крайней мере в 10…20 раз меньше предельной частоты транзистора. Максимальная допустимая постоянная рассеиваемая мощность полевого транзистора определяется точно так же, как и для биполярного. Промышленность выпускает полевые транзисторы малой, средней и большой мощности.
Применение транзисторов в жизни
Транзисторы применяются в очень многих технических устройствах. Самые яркие примеры:
Во всех устройствах связи усиление сигнала необходимо. Во-первых, электрические сигналы имеют естественное затухание. Во-вторых, довольно часто бывает, что амплитуды одного из параметров сигнала недостаточно для корректной работы устройства.
Информация передаётся с помощью электрических сигналов. Чтобы доставка была гарантированной и качество информации высоким, нам необходимо усиливать сигналы. Транзисторы способны влиять не только на амплитуду, но и на форму электрического сигнала. В зависимости от требуемой формы генерируемого сигнала в генераторе будет установлен соответствующий тип полупроводникового прибора. Электронные ключи нужны для управления силой тока в цепи. В состав этих ключей входит множество транзисторов. Электронные ключи являются одним из важнейших элементов схем.
PNP-транзистор
Впервые биполярный транзистор изготовили, вплавляя в кристалл германия (материал n-типа) капли индия. Индий (In) – трехвалентный металл, материал p-типа. Поэтому такой транзистор назвали диффузным (сплавным), имеющим структуру p-n-p (или pnp). Биполярный транзистор на рисунке ниже изготовлен в 1965 году.
Его корпус обрезан для наглядности. Кристалл германия в центре называется базой, а вплавленные в него капли индия – эмиттером и коллектором. Можно рассматривать переходы ЭБ (эмиттерный) и КБ (коллекторный) как обычные диоды, но переход КЭ (коллектор-эмиттерный) имеет особое свойство. Поэтому невозможно изготовить биполярный транзистор из двух отдельных диодов.
Если в транзисторе типа pnp приложить между коллектором (-) и эмиттером (+) напряжение в несколько вольт, в цепи пойдет очень слабый ток, несколько мкА. Если затем приложить небольшое (открывающее) напряжение между базой (-) и эмиттером (+) – для германия оно составляет около 0,3 В (а для кремния 0,6 В) – то ток некоторой величины потечет из эмиттера в базу.
Но так как база сделана очень тонкой, то она быстро насытится дырками (“растеряет” свой избыток электронов, которые уйдут в эмиттер). Поскольку эмиттер сильно легирован дырочной проводимостью, а в слабо легированной базе рекомбинация электронов немного запаздывает, то существенно б ольшая часть тока пойдет из эмиттера в коллектор.
Коллектор сделан больше эмиттера и слабо легирован, что позволяет иметь на нем б ольшее пробивное напряжение (U проб.КЭ > U проб.ЭБ). Также, поскольку основная часть дырок рекомбинирует в коллекторе, то он и греется сильнее остальных электродов прибора. Обычно α лежит в пределах 0,85-0,999 и обратно зависит от толщины базы.
Эта величина называется коэффициент передачи тока эмиттера. Это коэффициент передачи тока базы, один из самых важных параметров биполярного транзистора. Он чаще определяет усилительные свойства на практике. Транзистор pnp называют транзистором прямой проводимости. Но бывает и другой тип транзистора, структура которого отлично дополняет pnp в схемотехнике.
NPN-транзистор
Биполярный транзистор может иметь коллектор с эмиттером из материала N-типа. Тогда база делается из материала P-типа. И в этом случае, транзистор npn работает точно, как pnp, за исключением полярности – это транзистор обратной проводимости. Транзисторы на основе кремния подавляют своим числом все остальные типы биполярных транзисторов.
Донорным материалом для коллектора и эмиттера может служить As, имеющий “лишний” электрон. Также изменилась технология изготовления транзисторов. Сейчас они планарные, что дает возможность использовать литографию и делать интегральные схемы. По планарной технологии изготавливаются как pnp, так и npn-транзисторы, в том числе и мощные. Сплавные уже сняты с производства.
Схемы включения транзисторов
Обычно биполярный транзистор всегда используется в прямом включении – обратная полярность на КЭ переходе ничего интересного не дает. Для прямой схемы подключения есть три схемы включения: общий эмиттер (ОЭ), общий коллектор (ОК), и общая база (ОБ). Все три включения показаны ниже.
Они поясняют только сам принцип работы – если предположить, что рабочая точка каким-то образом, с помощью дополнительного источника питания или вспомогательной цепи установлена. Для открывания кремниевого транзистора (Si) необходимо иметь потенциал
0,6 В между эмиттером и базой, а для германиевого хватит
Общий эмиттер
Напряжение U1 вызывает ток Iб, ток коллектора Iк равен базовому току, умноженному на β. При этом напряжение +E должно быть достаточно большим: 5 В-15 В. Эта схема хорошо усиливает ток и напряжение, следовательно, и мощность. Выходной сигнал противоположен по фазе входному (инвертируется). Это используется в цифровой технике как функция НЕ.
Если транзистор работает не в ключевом режиме, а как усилитель малых сигналов (активный или линейный режим), то при помощи подбора базового тока устанавливают напряжение U 2 равным E/2, чтобы выходной сигнал не искажался. Такое применение используется, например, при усилении аудиосигналов в усилителях высокого класса, с низкими искажениям и, как следствие, низким КПД.
Общий коллектор
По напряжению схема ОК не усиливает, здесь коэффициент усиления равен α
1. Поэтому эта схема называется эмиттерный повторитель. Ток в цепи эмиттера получается в β+1 раз больше, чем в цепи базы. Эта схема хорошо усиливает ток и имеет низкое выходное и очень высокое входное сопротивление.
Тут самое время вспомнить о том, что транзистор называется трансформатором сопротивления. Эмиттерный повторитель имеет свойства и рабочие параметры, очень подходящие для пробников осциллографов. Здесь используют его огромное входное сопротивление и низкое выходное, что хорошо для согласования с низкоомным кабелем.
Общая база
Эта схема отличается наиболее низким входным сопротивлением, но усиление по току у нее равно α. Схема с общей базой хорошо усиливает по напряжению, но не по мощности. Ее особенностью является устранение влияния обратной связи по емкости (эфф. Миллера). Каскады с ОБ идеально подходят в качестве входных каскадов усилителей в радиочастотных трактах, согласованных на низких сопротивлениях 50 и 75 Ом. Каскады с общей базой очень широко используются в технике СВЧ и их применение в радиоэлектронике с каскадом эмиттерного повторителя очень распространено.